Приложение В (справочное). Техническая информация для электронных трансформаторов тока с цифровым выходом

Приложение В
(справочное)

Техническая информация для электронных трансформаторов тока с цифровым выходом

B.1 Общие положения

Это приложение относится к ЭТТ с цифровым выходом, применяемым с электрическими измерительными приборами и защитными устройствами.

В таких трансформаторах используются датчики тока (например, датчики на основе эффекта Холла, катушки (пояс Роговского) с воздушным сердечником) и/или оптические схемы.

Данное приложение дает информацию, необходимую для измерения погрешности вычислений для применения интерполяционных и синхронизирующих механизмов и т.д.

B.2 Принцип действия цифрового выхода

Чтобы эффективно использовать преимущества ЭТТ и ЭТН, сигналы должны быть рассмотрены соответствующим образом. Мгновенные значения тока и напряжения, зафиксированные в один момент времени с разницей менее нескольких микросекунд, должны быть переданы измерительному и защитному оборудованию, для чего рекомендуется объединить токи и напряжения от одного присоединения (т.е. на трех фазах) в один протокол. Физическая единица, выражающая это объединение токов и напряжений, называется СУ. Структура измерительной системы показана на рисунке В.1.

Рисунок В.1 - Объединение ЭТТ и ЭТН для создания цифрового выхода

Синхронизирование трансформаторов, подключенных к одному СУ, определяется изготовителем и в настоящем стандарте не указывается.

В.3 Другое назначение каналов данных

Некоторые области применения требуют различных назначений канала данных подобно показанным в 6.2.4.1.3 и таблице 12 (DataSetName = 01). Например, реле защиты в линии для 1 1/2-выключателя с комбинированным устройством передачи напряжения и тока на одной из его сторон требует не менее двух сетов тока (разрешения защиты) и один сет напряжения.

Идентификатор набора данных (DataSetName) = FE Н (254 десятичных числа) позволяет произвольно выбирать каналы для источника с конкретным применением. В этом случае изготовитель только указывает назначение канала данных, как показано в таблице В.1.

Следующие пункты необходимы для выбора правильной конфигурации приемника этих данных для каждого канала:

Значение:	Текстовое описание сигнала.
Эталонное значение:	Возможные номинальные значения фазового тока, нейтрального тока и фазового напряжения.
Масштабный коэффициент:	Определение возможных значений - SCP, SCM и SV согласно таблице 5.
Назначение канала данных не должно изменяться в течение нормальной эксплуатации.

Таблица В.1 - Типовое применение каналов данных с идентификатором их набора (DataSetName) = FE H. Использование для защиты линии и синхронизации 1 1/2-выключателя цепи с объединенными ЭТТ/ЭТН на его обеих сторонах

Имя набора данных (номер канала)	FE H
	Значение	Источник	Эталонное значение	Масштабный коэффициент
N 1	Фаза тока A, prot	DS 1	Номинальный фазовый ток	SCP
N 2	Фаза тока В, prot	DS 1	То же	SCP
N 3	Фаза тока С, prot	DS 1	"	SCP
N 4	Фаза напряжения А	Линия А	Номинальное фазовое напряжение	SV
N 5	Фаза напряжения В	Линия А	То же	SV
N 6	Фаза напряжения С	Линия А	"	SV
N 7	Фаза тока A, prot	DS2	Номинальный фазовый ток	SCP
N 8	Фаза тока В, prot	DS2	То же	SCP
N 9	Фаза тока С, prot	DS2	"	SCP
N 10	Фаза напряжения А	Шина 1	Номинальное фазовое напряжение	SV
N 11	То же	Шина 2	То же	SV
N 12	"	Линия 2	"	SV

B.4 Математическое описание цифрового выхода

По сравнению с аналоговым цифровой выход - не функция времени (t), а последовательность значений и, таким образом, функция счетчика n, который является интегральным числом.

Время, при котором выбраны первичные токи и напряжения n-го набора данных, называется . Поскольку используется равноудаленная выборка, расстояние во времени между двумя образцами является постоянным и равным эквивалентному диапазону данных: .

С помощью этих определений цифровой выход можно выразить следующим образом:

,

где - цифровое число на выходе СУ, представляющее собой фактическое мгновенное значение первичного тока;

- среднеквадратическое значение симметричного компонента определенного выхода СУ;

- вторичный выход постоянного тока, включая экспоненциальный показатель;

- вторичный выход остаточного тока, включая гармоники и субгармоники;

n - счетчик набора данных;

- время, при котором выбраны первичные токи и напряжения n-го набора данных;

f - частота;

- вторичный угол фазового сдвига.

B.5 Синхронизация времени в сумматоре

Многие защитные устройства требуют наличия сигналов с различных участков о синхронизации тока и напряжения. Есть два способа синхронизации: интерполяция нескольких значений и применение синхронизирующих импульсов всей подстанции.

При интерполяции различные задержки времени могут быть использованы для обработки образцов в определенном порядке (см. рисунок В.2).

Рисунок В.2 - Синхронизированные и несинхронизированные образцы тока с участков 1 и 2 соответственно

В случае синхронизации с помощью синхронизирующих импульсов каждый СУ должен иметь ее вход и способность выдавать протокол с образцами, снятыми в момент времени на входе синхронизирующего прибора (см. рисунок В.3).

Рисунок В.3 - Образцы тока с участков 1 и 2, выбираемые синхронизацией при помощи единого времени

В.6 Измерение погрешности

В.6.1 Определение угловой погрешности цифрового интерфейса

На рисунке В.4 маркирован некоторый первичный ток, измеренный ЭТТ. После определенного периода времени через цифровой интерфейс передается его цифровое значение, которое из-за амплитудной погрешности трансформатора обычно не совсем такое, как действительное значение первичного тока.

Период времени до начала передачи измерительной информации является углом фазового сдвига, состоящего из двух компонентов: постоянного номинального значения - х f x и изменяемой части.

Очень важно, чтобы этот угол был зафиксирован точно в пределах номинального значения, определяемого и если к данным двух СУ подключаться с использованием метода интерполяции. В этом случае любые отклонения угла фазового сдвига от - х f x приведут к фазовой погрешности при объединении данных нескольких СУ.

Время выборки первичного тока не является тем же, что и для образцов трансформатора с аналого-цифровым преобразователем, так как имеющиеся аналоговые компоненты (фильтры, катушки с воздушным сердечником и т.д.) обычно приводят к сдвигу фаз или задержке передачи информации о первичном токе аналого-цифровому преобразователю, что выражается номинальным временем задержки или номинальным фазовым сдвигом.

Рисунок В.4 - Определение фазовой погрешности для цифрового интерфейса

Если необходимо синхронизировать несколько СУ по часам единого времени, что важен период между временным импульсом и измерением тока или напряжения, который должен равняться нулю, поскольку любое отклонение от него приводит к фазовой погрешности. Этот период также называют "временем реакции".

Импульс единого времени передается каждую секунду, но не для каждого измерения, что используется для синхронизации внутренних часов СУ с генератором главных тактовых или синхронизирующих импульсов. Продолжительность реакции может быть нулевой, так как временные импульсы являются четко определенными периодическими сигналами.

Таким образом, можно обеспечить, чтобы ни одно измерение между двумя временными импульсами (если не делается в одно и то же время) не превышало указанной угловой погрешности трансформатора.

СУ может быть разработан для использования данных принципов (интерполяции или по часам единого времени) как отдельно, так и в составе измерительной системы.

В.6.2 Испытание и процедура настройки

Рисунок В.5 показывает испытание на проверку и настройку точности СУ и подключенного к нему трансформатора.

Если погрешность измерительной системы незначительна по сравнению с установленным классом точности, цифровой выход эталона , умноженный на номинальный коэффициент трансформации , можно считать равным и использовать непосредственно для расчета погрешностей при оценке настройки, как показано на рисунке В.5 и описано в следующем параграфе.

Если СУ предназначен для применения с интерполяционной схемой, с помощью устройства для оценки результатов (например, ПК) сначала нужно получить последовательные во времени, очень точные данные, для чего использовать номинальное время задержки и номинальный сдвиг фаз поверяемого трансформатора и эталонной системы.

Если - время начала получения n-го набора данных от поверяемого трансформатора, тогда - время окончания, которое рассчитывается следующим образом:

.

Соответствующее значение первичного тока () или () в этом случае может быть рассчитано с применением эталонного и интерполяционного алгоритмов. Другая возможность использовать входные наборы данных от поверяемого трансформатора заключается в одновременной выборке от эталонного ЭТТ обоих образцов первичного тока.

После получения последовательных во времени наборов данных от эталонного и поверяемого трансформаторов можно вычислить погрешность согласно математическим методам, описанным в следующем параграфе.

Для СУ, синхронизированного при помощи часов единого времени, процедура несколько отличается. Так как поверяемый и эталонный трансформаторы снабжены одинаковыми временными импульсами, то их образцы, предположительно, тоже синхронизированы во времени. Таким образом,(n) поверяемого и (n) эталонного трансформаторов могут непосредственно сравниваться. В уравнениях может быть представлено как . Если временные импульсы используются для синхронизации, то должна обеспечиваться их достаточная точность.

Настроенный поверяемый трансформатор с цифровым выходом может применяться как эталонный. После калибровки с помощью независимого внешнего эталона с использованием одного из перечисленных методов он может заменить эталонную систему, представленную на рисунке В.5, где два СУ с поверяемым и эталонным трансформаторами подключены к устройству оценки результатов. Если применена одинаковая технология, то настройка может быть упрощена подключением обоих трансформаторов к одному СУ.

Рисунок В.5 - Тестовая настройка

В.6.3 Математические расчеты для вычисления погрешности

В.6.3.1 Токовая и угловая погрешности

В.6.3.1.1 Вычисление погрешности с использованием цифрового моста

Один из способов расчета погрешности - цифровой расчет, эквивалентный функциональным возможностям традиционного трансформаторного моста.

В этом случае для синусоидального тока и фазовую и амплитудную погрешности рассчитывают на основе мгновенных значений при помощи следующего уравнения:

,

где - номинальный коэффициент трансформации;

- среднеквадратичное значение первичного тока;

- первичный ток;

- вторичный цифровой выход (на выходе СУ);

T - продолжительность одного цикла;

n - число зарегистрированных наборов данных;

- время, при котором выбраны первичные токи и напряжения n-го набора данных;

k - количество периодов суммирования;

- интервал времени между двумя образцами первичного тока;

- подстраиваемый сдвиг фаз.

Чтобы рассчитать токовую погрешность (%) и угловую погрешность , подстраиваемый сдвиг фаз выбирают с учетом, чтобы погрешность была минимальной. В этом случае = и = .

Фазовый сдвиг может быть выражен в цифровой форме с помощью алгоритма интерполяции.

Чтобы гарантировать устойчивый результат вычисления, необходимо выполнить цифровое фильтрование полосы пропускания согласно частоте, используемой при испытании, с большим количеством периодов суммирования k.

В.6.3.1.2 Вычисление погрешности при помощи преобразования Фурье

Дискретные преобразования Фурье периодических сигналов () и (n) после оцифровки выражают формулами:

;

,

где - первичный ток;

- вторичный цифровой выход (на выходе СУ);

n - число зарегистрированных наборов данных;

- время, при котором выбраны первичные токи и напряжения n-го набора данных;

k - количество периодов суммирования;

- интервал времени между двумя образцами первичного тока.

Для гармоники h применение вышеперечисленных уравнений с обеспечивают два комплексных коэффициента:

;

.

Для синусоидального тока и фазовую и амплитудную погрешности при номинальной частоте рассчитывают с помощью преобразований Фурье для h = 1.

Амплитудная погрешность

,

где - номинальный коэффициент трансформации;

- угловая погрешность.

В.6.3.1.3 Расчет погрешности с использованием алгоритма синхронного цифрового детектирования

Другая возможность вычисления амплитудной и фазовой погрешностей - выполнение цифровых расчетов, основанных на синхронных принципах детектирования (обычно используемых в синхронизирующем усилителе) для аналогового выхода (см. раздел С.4).

В.6.3.2 Полная погрешность

Для расчета полной погрешности аналоговую функцию заменяют эквивалентным цифровым расчетом (для ):

,

где - номинальный коэффициент трансформации;

- среднеквадратичное значение первичного тока;

- первичный ток;

- вторичный цифровой выход (на выходе СУ);

T - продолжительность одного цикла;

n - число зарегистрированных наборов данных;

- время, при котором выбраны первичные токи и напряжения n-го набора данных;

k - количество периодов суммирования;

- интервал времени между двумя образцами первичного тока.

Чтобы проверить стабильность результата для перечисленных расчетов, используют большое количество периодов сложения к. Полосовая фильтрация не допускается.

Примечание - Для автономных катушек с воздушным сердечником вторичный выход измеряют на выходе интегратора (см. определение , и приложение С), который может быть реализован в цифровом виде в устройстве оценки. Так как интегратор оказывает влияние на время задержки, допускается, чтобы при настройке оно отличалось от номинального для поверяемого трансформатора.

В.6.3.3 Мгновенная погрешность

Ток мгновенной погрешности определяют для и рассчитывают по формуле

,

где - номинальный коэффициент трансформации;

- среднеквадратичное значение первичного тока;

- первичный ток;

- вторичный цифровой выход (на выходе СУ);

n - число зарегистрированных наборов данных;

- время, при котором выбраны первичные токи и напряжения n-го набора данных.

Примечание - Для автономных катушек с воздушным сердечником вторичный выход измеряют на выходе интегратора (см. определение , и приложение С), который может быть реализован в цифровом виде в устройстве оценки. Так как интегратор оказывает влияние на время задержки, допускается, чтобы при настройке оно отличалось от номинального для поверяемого трансформатора.

В.7 Сравнение суммарной погрешности системы, использующей аналоговый или цифровой выход ТТ/ТН

Когда сличаемая система состоит из компонентов одного класса точности, то суммарная погрешность не является одинаковой для систем с цифровым выходом и основанных на компонентах с аналоговым выходом (см. рисунок В.6). При использовании ЭТТ и ЭТН с цифровым выходом бюджет погрешности от цифровой передачи сигнала во внимание не принимается. В этом случае измерение является чисто расчетным по цифровым значениям и, таким образом, никакой погрешности не добавляется при условии точности вычислений. Все температурные или долгосрочные изменения в измерителе также во внимание не принимаются.

Рисунок В.6 - Сравнение погрешностей в традиционной системе измерения и основанной на ЭТТ и ЭТН с цифровым выходом